近年来，因摩尔定律的发展限制，使得传统硅基半导体的进步受到局限。但在 5G 通讯、车用电子与光通讯等方面的发展需求下，寻找新世代半导体的进展变得刻不容缓。而化合物半导体材料，因其高电子迁移率、直接能隙与宽能带等特性，恰好符合新世代半导体发展所需，化合物半导体的时代遂逐渐来临。
根据 SEMI 国际半导体产业协会去年公布的功率暨化合物半导体晶圆厂展望报告，随高阶消费性电子产品、无线通讯、电动车、绿能建设、资料中心，还有工业（IIoT）和消费性物联网（IoT）应用对能源效率的标准愈趋严格，功率元件所扮演的重要性也随之与日俱增。
因此，为了因应市场的需求，预测从 2017 至 2022 年，全球将兴建 16 个功率暨化合物半导体晶圆厂，整体产能将成长 23%，每月投片量将达 120 万片（8 寸约当晶圆）。
化合物半导体具个别特性，应用领域广泛取代硅基半导体
虽然，现行全球 95% 以上的半导体芯片和器件，仍是以硅作为基础功能材料而生产出来的硅基半导体为主。不过，随着万物联网、5G 时代的到来，以砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等为代表的化合物半导体，正快速崛起中。
如 5G 基地台的射频模块、光通信、手机的无线通信系统，以及 3D Sensing 的 VSECL 泛光源、自动驾驶的毫米波雷达等新应用场景的出现，都将是化合物半导体的应用发展重点和成长动能。
所谓的化合物半导体，就是由化合物所构成的半导体材料，通常由两种以上的元素构成。它的组合方式很多，带来更多的想象空间。依据不同的材料特性，能设计出耐高温、抗高电压、抗辐射与可发光等元件产品，之后再加以开发应用在各种特定领域中。
象是氮化镓（GaN），因其对电磁辐射的敏感性较低，使得氮化镓为基础所生产出的元件，在辐射环境中表现出很高的稳定性。这也使得氮化镓的晶体管可以在高温和高电压下环境下工作，是理想的微波频率功率放大元件。
至于在碳化硅（SiC）的材料方面，虽然与氮化镓一样同样具有低抗阻跟高频率，以及具有耐高温的特性。但相较于氮化镓，碳化硅具有更高效率，且在目前成本逐渐降低的情况下，市场上普遍运用于电源控制的方面，也成为另一主流发展方向。
另外，在目前大家所最为熟悉的化合物半导体砷化镓（GaAs）的部分，其所生产的微波元件主要有 3 种，包括 HBT（异质接面双极晶体管）、PHEMT（假晶高速电子移动晶体管）及 MESFET（金属半导体场效晶体管）。
由于，其具有载波聚合和多输入多输出技术所需的高功率和高线性度，使得砷化镓在当前 5G 通讯急速普及的阶段，包括行动通讯、无线区域网络（WLAN）及自动驾驶汽车的雷达系统上更是应用的关键零组件。而且，还将会是 6GHz 以下频段的主流技术。
3D Sensing 开启手机脸部辨识应用大门
而在化合物半导体的应用上，包括电源控制、无线通讯、红外线、太阳能、以及光通讯的应用层面为主。其中最为人所熟知的部分，当属 3D Sensing、自驾车辅助系统的光达／雷达设备、以及车用动力的应用上。
3D Sensing 的部分，起源于 2017 年以垂直共振腔面射型雷射（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称 VCSEL）为核心元器件的 3D Sensing 摄影镜头，使用在苹果 iPhone 的十周年机型上，进行使用者的人脸辨识（FACE ID） 功能，并进一步地掀起了全球智能型手机采用 3D Sensing 摄影镜头的风潮，其中在 3D Sensing 摄影镜头的元件当中，就有以化合物半导体砷化镓所制造的 VCSEL 芯片。
而苹果 3D Sensing 的 VCSEL 主要供应商 Lumentum，其背后独家的代工厂就是稳懋半导体，目前在砷化镓的代工市场市占率 66%，若加计晶圆产值，市占率约 25%。
稳懋不仅抢下苹果 3D Sensing 的供应链龙头位置，未来随着苹果准备把 3D Sensing 扩大应用在其他机型，将是化合物半导体发展上不可忽视的重点供应商。稳懋半导体策略长李宗鸿于 SEMICON Taiwan 2019 国际半导体展期间受访时指出，稳懋是一家长期专注于发展化合物半导体晶圆代工业务的公司。
在光电领域，稳懋的布局就包含 2.5G / 10G / 25G 边射型雷射二极管、高功率边射型雷射二极管、2.5G / 10G 检光二极管（PD）、雪崩式检光二极管（APD），以及垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）等关键元件，并提供磊晶、磊晶再成长、芯片制程、乃至特性检测的一站式服务。
未来也将持续深化产品技术开发，满足 5G 基础建设、3D 感测相关应用到车用光电等市场所需。
自驾车携手光达系统，提供安全自驾车基础
而除了在 3D Sensing 上的应用之外，近来在汽车市场上绽露头角的自驾车，也成为使用化合物半导体产品的大宗。自驾车操控的构成条件，包括了传感器、定位、计算控制和精密的图资等部分，其中传感器主要又以摄影机、超音波、毫米波雷达和光达等 4 种为主。
除了 3D Sensing 应用于车内脸部辨识与手势辨识中，化合物半导体的主要应用，便是在汽车先进驾驶辅助系统（ADAS）的光达与雷达设备上，以及在电动车的动力控制系统上。
其中，在光达部分，就是利用飞行时间（Time Of Flight，TOF）技术，由汽车发出很短脉冲（~10 ns，10-8 秒）的雷射去照射目标，同时也启动快速计时器进行时间量测。当光传感器接收到目标反射的回波讯号后，即停止快速计时器的计时，藉由期间光线的飞行时间来测量汽车与物体间的距离。原理与汽车雷达相类似，不同点在于光达能辨识物体，雷达却只能感应距离。
而在光达的应用中，以化合半导体中砷化镓的高功率和高线性特质来生产的 VCSEL 雷射元件，在其中就扮演了关键性的角色。因为藉由 VCSEL雷射元件所发射的雷射去照射目标，再透过接收器接收反射回来的激光束，达到测距的目的，使得光达系统能完整地发会功能与运作。
化合物半导体除了在自驾车领域的未来发展之外，事实上在当前的车用芯片部分，由于使用环境要求（需于高温、高频与高功率下操作），并配合汽车电路上的电感和电容等，使得车用元件体积较普通元件尺寸占比大。
然而，透过化合物半导体中，包括应用氮化镓和碳化硅等特性，将有助实现缩小车用元件尺寸。因此，藉由氮化镓和碳化硅取代硅半导体，减少车用元件切换时的耗能已逐渐成为可能。
对此，在汽车先进驾驶科技上一直发展不遗余力的 BMW 指出，目前 BMW 的全新的车款，绝大部分都已经有标准配置了 Personal CoPilot 智慧驾驶辅助科技。
而这个运用了化合物半导体元件的智慧驾驶辅助科技，就是一整套给消费者完整的一个主动、被动的驾驶辅助系统，包含如自动跟车、车道偏离维持系统、盲点侦测系统、后方车流辅助系统、前方车流辅助系统，或者是十字路口的侦测功能，再搭配上自动停车辅助，以达到先进驾驶的功能。
而除了在驾驶系统采用化合物半导体元件之外，化合物半导体的科技进步、使得电池性能的提升，电池的密度将能增加，同样体积大小的电池容量可以提升，并带动整个电池成本的降低的情况下，将可带动整个电动车的车辆售价降低。所以，BMW 也认为，预计在接下来 10 年内，电动车市场将因此应该会有一个非常蓬勃的发展。
可以确定的是，自苹果 iPhone 所带动的 3D Sensing 技术受到重视，并加速非苹阵营导入 3D Sensing，促使 VCSEL 需求增温，使得化合物半导体的发展受到重视，加上电动车市场未来将持续小幅成长，带动车用功率半导体元件需求，进而推升化合物半导体营收成长。
此外，先进驾驶辅助系统的光达元件需求逐年提升，促使化合物半导体所生羼的元件需求增温。整体而言，这一系列市场的应用普及，预计都将成为化合物半导体市场持续成长的主要动能。
閱讀更多 拓墣產業研究院 的文章
